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鱼骨状纳米碳纤维与多壁纳米碳管的制备及其储氢、储锂性能研究

黄宛真  
【摘要】:人类越来越意识到能源危机所带来的灾害以及环境保护的重要性,世界各国纷纷寻找高效、环保、安全的可再生能源,制定一系列计划并花大量人力、物力、财力在开发研究氢能系统、锂离子电池以及超级电容器等方面,重点集中在能源材料的开发与研究。而随着一维纳米碳材料制备技术的日趋成熟,纳米碳管及纳米碳纤维在储能方面展示出良好的应用前景。由于纳米碳管和纳米碳纤维是由石墨卷曲而成的一维结构,具有比表面积大、密度低、导电性好以及优异的力学性能等特点,是储氢系统、锂离子电池以及超级电容器的理想材料。而鱼骨状纳米碳纤维由于互相平行的石墨层面的端部终止于纤维的外壁,暴露于纤维表面约0.34nm的层间距可提供多种原子及离子插入石墨层的机会,在储能方面具有潜在应用价值。基于此,本论文对本实验室制备工艺较成熟的多壁纳米碳管及鱼骨状纳米碳纤维进行系列预处理,并研究预处理方式对其储能特性的影响。 采用商业泡沫镍为催化剂,CVD法制备纳米碳纤维。该纳米碳纤维的石墨层面与其轴线的夹角在0~90°之间,为鱼骨状结构;由于制备温度较低,其石墨化程度不佳、石墨面不平整。分析讨论生长温度、氢气还原时间、生长时间及气氛流量等实验参数对产物形貌、结构及产量的影响,结果表明制备鱼骨状纳米碳纤维的最佳生长条件为:生长温度550℃、氢气还原时间3h、生长时间2h;气氛流量分别为:氮气300sccm、氢气50sccm、乙炔100sccm。该条件下制备的鱼骨状纳米碳纤维具有产率高、纯度高以及重复性好等优点。同时针对催化剂形貌及与之相联系的纳米碳纤维的关系,建立—“两端同时生长模型”讨论鱼骨状纳米碳纤维的生长机制。 采用CoO为催化剂、CVD法制备多壁纳米碳管,对其进行纯化、球磨、退火及掺杂处理,并研究各种预处理方式对多壁纳米碳管在室温常压下气态储氢性能的影响。结果表明退火及掺杂处理明显改善纳米碳管的储氢性能。而氮气退火比氧气退火效果明显,因为在氧气气氛中退火时会在纳米碳管表面引入大量有机含氧官能团,恶化其储氢性能。对纳米碳管进行KNO_3液相掺杂时则通过引入钾离子扩大氢气进出纳米碳管的孔道,从而提高纳米碳管的储氢量;掺杂纳米碳管的储氢量随掺杂液浓度的提高而提高,1.0M时得到最大储氢量3.2wt%。室温下


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